仿人智能PID控制
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仿人智能PID控制器设计
摘要：PID控制算法简单，参数调整方便，应用广泛。但是常规的PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差。该文设计的仿人智能PID控制器用正态函数拟和模糊控制规则，辅以根据误差和误差变化率的调整，能根据实际情况调整和完善PID 参数，具有鲁棒性强，响应速度快，稳态精度高等优点。该方法在导弹自动驾驶仪的设计中有很好的应用效果。
关键词：控制器；模糊控制；自动驾驶仪；仿真
1 引言
据统计，工业控制的控制器中PID类控制器占90％上。PID控制器是最早出现的控制器类型，因其结构简单，各个控制器参数有着明显的物理意义，调整方便，所以这类控制器很受工程技术人员的欢迎。随着控制理论的发展，出现了各种分支，如专家系统、模糊逻辑、神经网络、灰色系统理论等，它们和传统的PID控制策略相结合又派生出各种新型的PID 控制器，大大改进了传统PID控制器的性能。本文设计的仿人智能PID 控制器把模糊控制规则函数化。能根据实际情况自动调整和完善PID参数的控制规则实现在线调整PID参数。
2 设计仿人智能PID控制器的参数
PID控制器的控制量的表达形式一般是：
u = k p*error+k i*errori+k d*errord (1)
仿人智能 PID控制器的参数整定是找到PID控制的三个参数k
p 、k
i
、k
d
与
误差e、误差变化率ē之间的关系，在运行中不断检测 e和ē；，根据控
制原理对k
p 、k
i
、k
d
进行在线修改以满足不同 e和ē时对控制参数的不同
要求，而使得被控对象具有良好的动态、静态性能。
2.1 仿人智能 PID控制器参数的设计原则
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面考虑k
p 、k
i
、
k
d
的作用如下：
1)比例系数k p的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。k p越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会
导致系统不稳定。k
p
取值过小。则系统响应速度缓慢。会降低调节精度。
2)积分系数k i的作用是消除系统的稳态误差。k i越大，系统的静态误差消
除越快，但k
i
过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响
应过程的较大的超调。若k
i
过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。
3)微分系数k d的作用是改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中
抑制偏差向任何方向变化，对偏差变化进行提前预报。但k
d
过大，会影响过程提前制动，从而延迟调节时间。
k
p 、k
i
、k
d
的调节规则如下：
1)当偏差较大时，选择适当大的k p、k i、k d，使系统快速上升，但又不会产
生过大的超调；当偏差进入小范围内，适当减小k
i 、k
d
，以提高稳态精度。
2)在响应的初期，k i应取较小的值，以避免积分饱和；随着偏差的减小和偏差变化率的增大，也适当增大。
2．2 设计仿人智能 PID控制器的参数
在一般PID控制器中，k
p 、k
i
、k
d
是定常的参数。本文设计的仿人智
能PID控制器是在一般PID控制器的基础上，根据上述的k
p 、k
i
、k
d
的
调节规则，设计根据误差和误差变化率进行实时更新的k
p 、k
i
、k
d
，以达
到增强系统稳定性、加快系统响应速度、减小超调量和提高稳态精度的目的。
k
p 、k
i
、k
d
是与误差e和误差变化率ē相关的函数，表达式形式为：
k
p = f
1
(e,ē)=f
11
(e)+f
12
(ē)+f
13
(e,ē) (2)
k
i = f
2
(e,ē)=f
21
(e)+f
22
(ē)+f
23
(e,ē) (3)
k
d = f
3
(e,ē)=f
31
(e)+f
32
(ē)+f
33
(e,ē) (4)
f
11(e)=k
11
﹒[1-exp-(11
b
otc
)],f
12
=k
12
﹒exp-(12
b
otc
) (5)
f
21(e)=k
21
﹒[1-exp-(21
b
otc
)],f
22
=k
22
﹒exp-(22
b
otc
)(6)
f
31(e)=k
31
﹒[1-exp-(31
b
otc
)],f
32
=k
32
﹒exp-(32
b
otc
) (7)
k
p
、k
i
、k
d
的值随着误差e和误差变化率ē改变。当偏差较k
p
、k
i
、k
d
大时，偏差的权应该大些，而当偏差小时，应适当增加偏差变化率的权重。由此而设计可方便地改变误差e和误差变化率ē权重的函数形式。